46、能源创新：磁辅助电流增益发电机与感应功率对微动磨损的影响-优快云博客

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能源创新：磁辅助电流增益发电机与感应功率对微动磨损的影响

磁辅助电流增益发电机的研发与优势

随着环保意识的提升，相关部门计划在2025年前逐步淘汰核能，以实现无核家园的目标。目前采取的措施是建造新的燃煤和天然气发电厂，但这会导致严重的空气污染问题。同时，风能和太阳能的能量不稳定，因此磁辅助发电机成为缓解电力短缺的一种选择。

传统发电机由于负载阻力大，需要大功率发动机驱动，消耗大量能源。而磁发电机利用磁能降低负载阻力，提高发电效率，使用小发动机替代大发动机，实现节能。传统发电机存在诸多问题，如汽油和柴油发电机存在燃油效率低、成本高、笨重且噪音大的问题；传统磁钢发电机磁场内部干扰多，发电过程中存在较大阻力，包括线圈进入磁极时的阻力推力、通过磁极中心时时间不宜过长以及离开磁极时的拉力，导致能量损失大。

为解决这些问题，研发了低电阻磁辅助发电机。其原理是利用电磁原理和磁悬浮原理，使磁铁的极性与线圈的感应磁场产生吸力和推力。具体做法如下：
1. 线圈支架采用非磁性材料并进行空心设计。
2. 线圈底座呈直线和横向排列。
3. 线圈采用单丝和双丝不同缠绕方式，使磁铁进入线圈时产生吸力，空心孔改变后磁场方向改变，磁铁离开线圈时产生推力，从而减少发电过程中由楞次定律引起的电机消耗，实现节能。

磁辅助发电机结构由八个线圈组合而成，左右两个线圈为普通磁辅助线圈，左下角一组为辅助磁辅助线圈，下方两组为110 VAC电线圈，上方三组为220 VAC电线圈。当磁铁进入发电线圈时，提供24 VDC为左右和辅助磁辅助线圈供电，利用这些线圈实现电流增益。在24 VDC回路中，交流电流振荡可使功率增益14.7%。当转速达到2357 rpm时，可产生418 VAC发电电压，生成的电力可调整为110 VAC、220 VAC或380 VAC，为各种规格负载供电，可用于家庭和医院的应急用电，减少市电消耗，缓解用电高峰短缺问题。

磁辅助发电机具有以下优势：
1. 采用开放式结构设计，线圈支架使用非磁性材料，线圈底座结构和排列特殊，运行时的吸力和推力可减少发电过程中的阻力。
2. 采用开放式结构，线圈底座位于磁镊外部，可随时改变尺寸和排列，而传统发电机内部空间一旦建成无法改变。
3. 结构简单，维护成本低。

磁辅助发电机的实验与验证

实验中，对磁辅助发电机的多个方面进行了研究。
1. 顺时针缠绕法的磁辅助发电原理 ：顺时针（CW）缠绕从左到右顺时针进行。当CW缠绕磁线圈处于直线方向时，磁铁进入内部功率感应线圈，S极变为N极，与S极磁铁产生SN吸力；到达中间后，由于磁场相反，发电线圈恢复S极，与S磁铁产生SS推力。水平缠绕发电线圈在水平方向使用时，磁铁进入时发电线圈的N极仍为N极，与S极磁铁产生SN吸力，离开时磁场变为S极，产生SS推力。
2. 直线双线连接 ：双线连接时，S1和N1为一组，S2和N2为另一组。首先连接N1和S2，然后将S1与同线路的N2连接，N2与同线路的S1连接。
3. 电流增益原理 ：电流增益设计并非适用于每组线圈，必须设计最后一组磁线圈。因为磁辅助线圈的24 VDC电压直接形成回路，不流向110 VAC或220 V发电线圈，但110 VAC或220 V发电线圈需要磁辅助24 VDC线圈形成回路，可增加磁通量产生的功率。
4. 最大发电功率估算计算 ：最大发电电压计算公式为ε0 = 2πNBAf，其中N为匝数，B为磁通量密度（磁场），单位T，A为线圈接触（横截面积），单位m²，f为频率，单位Hz。以当前使用的N35磁铁为例，400高斯 = 0.04 T，假设发电机线圈接触横截面积为1.5 cm² = 0.015 m²，一个N极线圈匝数为6612匝，频率计算得出为306 Hz。代入公式计算得出一个线圈发电电压为114 VDC，六个发电机线圈无负载发电电压为686 VDC。

通过实验验证了实际发电电压与理论电压相符，电流增益使发电功率提高了14.7%，并测试了110、220和380 VAC的实际输出功率和功率输入功率。目前磁助力发电机使用N35普通磁铁和ψ 0.24 mm细线线圈，由于线圈阻抗高，最大效率仅为41%，若使用ψ 0.4 mm粗线线圈和N48强磁铁，发电效率将得到提高。

以下是不同电压下LED负载的相关数据：
|LED|110 VAC 0.3 kΩ| |220 VAC 0.69 kΩ| |380 VAC 0.99 kΩ| |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|负载瓦数|6 W LED|10 W LED|6 W LED|10 W LED|6 W LED|10 W LED|
|负载速度|1,450 rpm|1,676 rpm|1,583 rpm|1,557 rpm|968 rpm|1,062 rpm|
|输出负载功率|50.0 VC × 0.072 A × √2 = 5.0 W|81.3 VC × 0.049 A × √2 = 5.6 W|47.8 VC × 0.052 A × √2 = 3.5 W|82.3 VC × 0.041 A × √2 = 4.7 W|48.0 VC × 0.051 A × √2 = 3.4 W|82.4 VC × 0.043 A × √2 = 5.0 W|
|功率输入功率|24.9 DC × 0.55 A = 13.6 W|25.6 DC × 0.53 A = 13.5 W|25.7 DC × 0.49 A = 12.5 W|25.7 DC × 0.55 A = 14.1 W|24.3 DC × 0.70 A = 17.0 W|25.0 DC × 0.66 A = 16.5 W|
|效率|36%|41%|28%|33%|20%|30%|

其发电流程可通过以下mermaid流程图表示：

graph LR
    A[磁铁运动] --> B[进入发电线圈]
    B --> C[产生感应电流]
    C --> D[提供24 VDC给磁辅助线圈]
    D --> E[磁辅助线圈实现电流增益]
    E --> F[输出不同规格电压]

感应功率对驱动元件表面微动磨损的影响

在现代工业快速发展的背景下，对驱动元件关键部件的精度、寿命和可靠性提出了更严格的要求。在精密机械、风力涡轮机、航空航天机械和核电设施等领域，微动磨损被认为是关键部件的主要损坏形式。微动磨损会导致传动部件之间的粘连，增加振动和噪音，加速疲劳裂纹的产生和扩展，降低疲劳寿命，甚至可能导致整个系统的破坏，引发严重的工作安全问题。

微动磨损通常发生在高频、小振幅振动的情况下，常见于高速高频直线导轨、滚珠丝杠、核能铀棒支架等。为了减少或消除微动磨损，可以采用各种表面工程改进技术。

实验设计

实验装置 ：实验在微动磨损测试仪上进行，使用曲柄滑块机构使球试样往复运动。固定的圆柱试样经过不同感应功率热处理后放置在支架上，由V型滚子轴承支撑。通过负载传感器测量球和圆柱试样之间的摩擦系数，将法向载荷施加到球试样上。摩擦过程中产生的摩擦力会在下部试样上产生“拉”和“压”的连续作用，产生带有正负极性的电子信号，这些信号被传输到个人计算机进行数据分析，从而计算出摩擦系数。
测试试样 ：球试样由高碳铬合金钢（ø6.35 mm）制成，圆柱试样由中碳钢（ø24 mm）制成，且圆柱试样在摩擦测试前经过不同感应功率的热处理。球试样和圆柱试样的化学成分（wt%）如下表所示：
|试样类型|C|Cr|Mn|P|S|Si|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|球试样|0.95 - 1.10|1.3 - 1.6|< 0.5|< 0.025|< 0.025|0.15 - 0.35|
|圆柱试样|0.52 - 0.58| - |0.60 - 0.90|< 0.030|< 0.035|0.15 - 0.35|
实验条件 ：
1. 室温：25 ± 3ºC
2. 相对湿度：65 ± 5%
3. 感应功率：C1（小）、C3（中）、C5（大）
4. 往复速度：1000 cpm（每分钟计数）
5. 行程：≈ 400 μm
6. 法向载荷：100 N
7. 实验时间：8 hr
8. 润滑：油脂

实验结果与讨论

不同感应功率下的摩擦系数 ：
- 小感应功率（C1） ：在滑动距离为386 - 388 m时，摩擦系数稳定在0.4 - 0.6之间。
- 中等感应功率（C3） ：摩擦系数在0.4 - 0.6之间，平均值为0.5。
- 大感应功率（C5） ：摩擦系数不稳定，在0.3 - 0.7之间，平均值为0.4。
磨损表面分析 ：
- 小感应功率（C1） ：磨损痕迹呈带状，具有粘连模式，表明接触应力在极端压力和往复运动下集中在中间区域。最大磨损深度为10.5 μm，平均磨损深度约为8.3 μm。
- 中等感应功率（C3） ：球试样上出现轻微磨损痕迹，圆柱试样上出现严重磨损痕迹，说明随着感应功率的增加，晶粒变大，材料变软。最大磨损深度为20 μm，平均磨损深度约为13.3 μm。
- 大感应功率（C5） ：磨损痕迹显示出坑洼和粘连块，表明有效影响深度随着感应功率的增加而增加，材料表面晶粒粗化已达到饱和，虽然表面只有轻微磨损，但材料内部严重受损。最大磨损深度为17.9 μm，平均磨损深度约为13 μm。
感应功率对微动磨损深度的影响 ：随着感应功率的增加，有效硬化深度增加，C1为1 mm，C2为1.5 mm，C3为2 mm，C4为2 mm，C5为2.5 mm。同时，晶粒从约8 μm/N增加到约35 μm/N并趋于饱和。小感应功率硬化后圆柱试样的平均磨损深度约为8 μm，中等或大感应功率硬化后圆柱试样的平均磨损深度在12 - 13 μm之间。这表明除了有效硬化深度随感应功率增加而增加外，晶粒也显著增大，微动磨损变得更严重。当晶粒趋于饱和时，平均微动磨损深度相似。

以下是不同感应功率下的平均磨损深度数据：
|感应功率|平均磨损深度（μm）|
| ---- | ---- |
|C1|约8|
|C3|12 - 13|
|C5|12 - 13|

其实验流程可通过以下mermaid流程图表示：

graph LR
    A[准备试样] --> B[不同感应功率热处理]
    B --> C[安装到微动磨损测试仪]
    C --> D[施加法向载荷和往复运动]
    D --> E[测量摩擦系数和磨损情况]
    E --> F[数据分析得出结果]

研究结论

通过微动磨损测试仪和测量系统研究感应功率对驱动元件表面微动磨损的影响，得出以下结论：
1. 在微动磨损下，不同感应功率试样的摩擦系数变化相似。
2. 随着感应功率水平的增加，晶粒显著增大，微动磨损变得更严重。但当晶粒趋于饱和时，平均微动磨损深度相似。
3. 适当增加感应功率水平可以增加有效硬化深度，但功率增加无助于提高表面疲劳寿命。

综上所述，磁辅助电流增益发电机为解决电力短缺和节能提供了新的思路，而对感应功率与驱动元件表面微动磨损关系的研究有助于优化驱动元件的表面工程，提高其使用寿命和可靠性。未来可以进一步探索如何在提高发电效率的同时降低成本，以及如何更精准地控制感应功率以减少微动磨损。